العلاقات التطورية

كان البشر يحاولون تصنيف الكائنات الحية بشكل صحيح منذ أن قام أرسطو بالمحاولة الأولى خلال القرن الرابع قبل الميلاد. تم تحسين نظام أرسطو خلال عصر النهضة ثم ، بعد ذلك ، من قبل كارولوس لينيوس في منتصف القرن الثامن عشر. قامت أنظمة التصنيف والتنظيم الأكثر رسمية هذه بتجميع الأنواع حسب تشابهها الفيزيائي مع بعضها البعض. على سبيل المثال ، جميع الفقاريات لها عمود فقري ، لكن اللافقاريات لا تفعل ذلك. تسمى السمات مثل العمود الفقري بالتشابك العصبي ، وهي سمات تشترك فيها مجموعة من الكائنات الحية ، على الأرجح لأنها مشتقة من سلف مشترك. كما سنستكشف ، فقد ثبت أن هذه الطريقة لها قيود وتم تعديلها مؤخرا لتشمل التحليل الجيني. ومع ذلك ، يقوم العلماء ببناء أشجار تسمى مخططات الشجيرات لإنشاء تمثيل مرئي لكيفية ارتباط الأنواع ببعضها البعض ومشاركة أسلاف مشتركة. يمكن أن تساعد هذه الشجيرات في فهمنا للعمليات التطورية التي تقود هذه العلاقات. أضافت المقارنات الجينية أداة مهمة توجه تحليل العلاقات التطورية.

أنواع مخطط الششجيرات

يصور نوع من مخطط الشجيرات ، يسمى cladogram ، علاقات الأنساب الافتراضية بين الأنواع مع أطراف (أو أوراق) الشجرة التي تمثل نوعا والفروع التي توضح كيفية ارتباط الأنواع ببعضها البعض. يختلف نوع أكثر تعقيدا قليلا من الأشجار ، يسمى النشوء ، عن cladogram في أن الفروع المؤدية إلى الأنواع ذات أطوال مختلفة. يمثل طول الفرع في هذا النوع من الأشجار درجة التغيير بين الأنواع: فكلما زاد طول الفرع ، زاد الوقت منذ تباعد الأنواع عن سلف مشترك. في كلا النوعين من الأشجار ، يشار إلى السلف المشترك لمجموعة من الأنواع بواسطة عقدة ، وهي النقطة التي تلتقي فيها سلسلة من الفروع. الأنواع التي ترتبط ارتباطا وثيقا ببعضها البعض (شاركت مؤخرا سلفا مشتركا) ستكون أقرب إلى العقدة. يطلق على النوعين اللذين يشتركان في عقدة اسم المجموعة الشقيقة¹.

فهم العلاقات التطورية باستخدام البيانات الوراثية

تاريخيا ، تم إنشاء cladograms من خلال مقارنة التشكل (التركيب الفيزيائي) للكائنات الحية. لا تزال هذه الطريقة تمارس ولكن تم تحديث التقنيات لتشمل مقارنة تسلسل الحمض النووي (الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين) بين الأنواع. يتمتع استخدام الحمض النووي لبناء الأشجار بالعديد من المزايا مقارنة بالاعتماد فقط على التشكل ، بما في ذلك القدرة على حساب تقدير المدة التي مضى عليها الأنواع المختلفة تشترك في سلف مشترك ¹ . ومع ذلك ، فإن استخدام الحمض النووي ليس ممكنا دائما ، خاصة عندما تحتوي الأشجار على كائنات منقرضة. من الأفضل العثور على الحمض النووي في الأنسجة الرخوة ، والتي لا يتم الحفاظ عليها أثناء عملية التحجر ، وبالتالي من غير المألوف أن تتوفر عينة من الحمض النووي لأنواع منقرضة.

ينتقل الحمض النووي من الآباء إلى ذريتهم في وحدات وراثية تسمى الجينات. غالبا ما يكون تسلسل النيوكليوتيدات (A و G و C و T) للجينات الموجودة في الأنواع المختلفة متشابها تماما ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أنها جاءت من سلف مشترك. تسمح هذه الحقيقة للباحثين بمحاذاة التسلسلات من الأنواع المختلفة مع بعضها البعض لبناء الأشجار الموضحة أعلاه. سيتم وضع الأنواع ذات التشابه الأكبر بين تسلسل النيوكليوتيدات بجانب بعضها البعض في شجرة ، وسيتم وضع الأنواع ذات التشابه التسلسل الأقل بعيدا عن بعضها البعض.

المعلوماتية الحيوية هي الأدوات التي يستخدمها علماء الأحياء لتحليل مجموعات البيانات الكبيرة باستخدام مزيج من علوم الكمبيوتر والنمذجة الرياضية والإحصاء. تسمى إحدى هذه الأدوات BLAST (أداة البحث عن المحاذاة المحلية الأساسية) ، والتي يمكن استخدامها للبحث بسرعة في الجينوم الكامل لأي نوع متاح في قاعدة بيانات NCBI (المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية) ² . تجمع قاعدة بيانات NCBI بين العديد من قواعد البيانات المختلفة التي تحتوي على أنواع مختلفة من معلومات تسلسل الحمض النووي. تتضمن عملية بحث BLAST خوارزميات كمبيوتر معقدة ، ولكن بشكل أساسي ، يقوم BLAST بمحاذاة تسلسلات كل قاعدة نيوكليوتيدات من تسلسل الحمض النووي المقدم (المعروف باسم استعلام تسلسل) مع التسلسلات في قاعدة البيانات التي تتطابق معها بشكل وثيق. سيتم سرد تسلسل الحمض النووي الذي تم العثور عليه بترتيب التشابه مع التسلسل المعني ، وبالتالي ستكون من الأنواع المرتبطة ارتباطا وثيقا بالأنواع التي تحتوي على جين الاستعلام. قد تصور هذه المقارنة أو لا تصور العلاقة التطورية الفعلية بين الأنواع لأن الجينات تتطور بمعدلات مختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي الجينومات أحيانا على أكثر من مثيل واحد لتسلسل مماثل.

تعد مقارنة تسلسل الحمض النووي للجينات ذات قيمة تتجاوز النظر في العلاقات التطورية. في كثير من الأحيان ، يتم تحديد الجينات في الكائنات الحية النموذجية ، مثل ذبابة الفاكهة ، ذبابة الفاكهة السوداء ، أو الفأر ³ . جزء لا يتجزأ من دراسة الجين ، يتم تحديد وظيفة منتجه وتحليله بشكل شائع. إذا كان الباحث مهتما بدراسة هذه الوظيفة في كائن حي مختلف (البشر على سبيل المثال) ، فيمكن استخدام BLAST أو غيرها من أدوات المعلوماتية الحيوية للعثور على الجينات المرشحة بناء على أوجه التشابه بينها وبين جينات الوظيفة المعروفة من الكائنات الحية النموذجية.

يمكن أيضا استخدام الجينات البشرية كنقطة انطلاق للعثور على المتماثلات في الكائنات الحية النموذجية. في الواقع ، تعتمد أبحاث الأمراض البشرية بشكل كبير على هذا. بمجرد تحديد الجين البشري ذي الأهمية ، يمكن التلاعب بالفئران وراثيا لتعطيل الجين المتماثل ، أو "التخلص منه" ، مما يخلق نموذجا للمرض البشري يمكن دراسته من أجل فهم المرض وعلاجه. هناك العديد من سلالات الفئران هذه المتوفرة حاليا. على سبيل المثال ، هناك نموذج فأر للتليف الكيسي البشري (CF) يسمى Cftr فأر بالضربة القاضية وتصلب الشرايين النمذجة الآخر ، يسمى Apoe بالضربة القاضية ³ .

المراجع:

1. متعلم أننبرغ. الكتاب المدرسي عبر الإنترنت: الوحدة 3 التطور وعلم الوراثة. إعادة اكتشاف علم الأحياء. [عبر الإنترنت] 2017. [مقتبس: 23 أغسطس 2018.] https://www.learner.org/courses/biology/textbook/compev/compev_3.html.
2. المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية ، المكتبة الوطنية الأمريكية للطب. BLAST: أداة البحث عن المحاذاة المحلية الأساسية. [عبر الإنترنت] https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi.
3. المعهد الوطني لبحوث الجينوم البشري. خلفية عن الفأر ككائن حي نموذجي. المعهد الوطني لبحوث الجينوم البشري. [عبر الإنترنت] ديسمبر 2002. [مقتبس: 23 أغسطس 2018.] https://www.genome.gov/10005834/background-on-mouse-as-a-model-organism/.

قام البشر بتصنيف وتنظيم الكائنات الحية البيولوجية لآلاف السنين. في الأصل ، ترتيب الأشياء اللازمة للبقاء على قيد الحياة في المقام الأول. مع تقدم التاريخ البشري ، زادت المهارة والتفاصيل في هذه التصنيفات. في القرن الرابع قبل الميلاد ، كان أرسطو رائدا في التصنيفات الرسمية ، حيث حدد النباتات إلى مجموعات مختلفة ثم قسمها بشكل أكبر بناء على خصائصها الفيزيائية وسماتها مثل الموائل التي تشغلها. في وقت لاحق ، في منتصف القرن الثامن عشر ، بنى لينيوس على نظام أرسطو. دعا أعلى مستوى له في تجميع الممالك ، ومن هناك ، قسم المجموعات باستخدام التشابك المشابك ، وهي سمة مادية مميزة تقسم الفرع. على سبيل المثال ، إذا كان يمتلك عمودا فقريا أو بنية مماثلة ، فيجب وضعه في شعبة الحبل. إذا لم يحدث ذلك ، فهناك العديد من الشعب الأخرى ، والتي يمكن تقسيم التي ليس لها عمود فقري إليها ، بما في ذلك المفصليات ، وهي مجموعة كبيرة بما في ذلك الحشرات. استمر لينيوس في تقسيم مجموعات الكائنات الحية بناء على تشابك العصبي في المستويات اللاحقة من خلال الفئة والنظام والأسرة والجنس ، حتى الوصول إلى التعيين النهائي ، بشكل عام ، الأنواع. نشير إلى نوع تصنيف لينيوس على أنه cladistics ، تصنيف الكائنات الحية بناء على الاختلافات في الخصائص الفيزيائية.

اليوم ، يقوم العلماء عادة ببناء أشجار تسمى مخططات الشجيرات لإعطاء تمثيلات مرئية لهذه الانقسامات والمجموعات. يصور هذا الشكل الخاص من مخطط الشجيرات ، cladogram ، العلاقات الكلاسيكية بين الأنواع بحيث تمثل أطراف الشجرة الأنواع وتظهر الفروع كيف ترتبط ببعضها البعض. على سبيل المثال ، هنا يرتبط الشمبانزي والدب ارتباطا وثيقا ببعضهما البعض ويشتركان في خصائص مشتركة أكثر من أي منهما مع سمكة الشمس. يشار إلى الأماكن التي تلتقي فيها الفروع بالعقد وتدل على أسلاف مشتركة للأنواع التالية. النوع الرئيسي الثاني من مخطط الشجيرات هو النشوء. تختلف هذه عن cladograms لأن طول الفروع بين الأنواع يختلف ، مما يمثل درجة التغيير بينها. لذلك كلما طالت مدة الفرع ، مر الوقت منذ أن تباعدت الأنواع عن آخر سلف مشترك لها.

تم إنشاء مخططات الشجيرات ببساطة عن طريق تحليل مورفولوجيا الكائنات الحية. مع ظهور التكنولوجيا الحديثة ، أصبحت مقارنة الحمض النووي أيضا طريقة شائعة لبناء الأشجار. يتكون الحمض النووي من نيوكليوتيدات مرتبطة بواحدة من أربع قواعد مختلفة. الأدينين أو الجوانين أو السيتوزين أو الثايمين. ترتيب هذه القواعد هو رمز الحمض النووي. يتم تمرير هذا الرمز من الوالد إلى النسل. وبالتالي ، إذا نظرت إلى نوع واحد مثل البشر ، فهناك درجة عالية جدا من التشابه في شفرتنا الجينية ، حوالي 99.9٪. نشارك أيضا بعض شفرات الحمض النووي الخاصة بنا مع الأنواع الأخرى ، مثل الشمبانزي والفئران ، لكن درجة التشابه العام بين الحمض النووي لدينا وهم تختلف اختلافا كبيرا. هذا يعني أنه يمكننا إنشاء أشجار ، والتي تجمع الأنواع بناء على أوجه التشابه أو الاختلاف بين رموزها الجينية. يشار إلى مجال التحليل هذا ، الذي يجمع بين الإحصاء والنمذجة الرياضية وعلوم الكمبيوتر ، باسم المعلوماتية الحيوية. لمقارنة تسلسل الحمض النووي ، غالبا ما يستخدم الباحثون أداة معلوماتية حيوية تسمى أداة البحث عن المحاذاة المحلية الأساسية ، أو BLAST ، والتي تم إنشاؤها وصيانتها من قبل المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية.

في هذا المختبر ، ستقوم أولا بإنشاء مخطط cladogram للحيوانات باستخدام المعلومات المورفولوجية ، ثم وضع أنواع أحفورية على هذا cladogram بناء على مورفولوجيته. ستستخدم بعد ذلك تسلسل الحمض النووي من العديد من الأقارب المعاصرين المختلفين للأحفورة وقاعدة بيانات BLAST للتحقق من موقعك للأحفورة على الشجرة.